産総研ら、有機太陽電池材料のナノ構造を解明、変換効率のカギは分子混合であることを明らかに

　このところ、有機太陽電池の性能に関する研究が世界中で急ピッチで進んでいます。結晶系や化合物系の太陽電池では利用できなかった未利用な用途や設置場所の開拓に期待がかかります。

　さて、産業技術総合研究所（産総研）らの研究グループは、次世代太陽電池として期待されるバルクヘテロジャンクション型有機太陽電池のナノ構造を詳細に観察した結果、接合面では高分子材料とフラーレンとが分子レベルで混じりあっていることがわかりました。この分子混合が、有機太陽電池のエネルギー変換効率向上のカギであることを、初めて実験により示し、接合面は「汚い」ほうが電池の性能が良くなることを発見しました。
　今後さらに、軟X線顕微鏡の偏光依存性を調べることにより、高分子領域とフラーレン分子領域との界面における分子配向が明らかにし、有機太陽電池のエネルギー変換機構を解明し、高効率有機太陽電池の開発が期待されます。

プレスリリース / 産業技術総合研究所（産総研）、2014/04/17
・太陽電池のエネルギー変換効率のカギは分子混合

----image（”図1　従来考えられていた接合状態（左）と本研究結果でわかった分子混合による構造（右）”） : 同リリースより

"　有機太陽電池材料のナノ構造を解明

研究成果のポイント
・バルクヘテロジャンクション型有機太陽電池に用いる材料の状態を、軟X線顕微鏡で調べ、ナノ分子領域内で分子が混合していることを発見しました。
・分子混合が、有機太陽電池のエネルギー変換効率向上のカギであることを、初めて実験により示しました。
・この発見により、より高いエネルギー変換効率の有機太陽電池の実現が期待されます。

概要
　国立大学法人筑波大学　数理物質系　守友浩教授、櫻井岳暁准教授、独立行政法人物質・材料研究機構　太陽光発電材料ユニット　安田剛主任研究員、大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構　物質構造科学研究所　小野寛太准教授、間瀬一彦准教授、武市泰男助教、国立大学法人広島大学　大学院理学研究科　高橋嘉夫教授、独立行政法人産業技術総合研究所　太陽光発電工学研究センター　吉田郵司研究センター付らの研究グループは、軟X線顕微鏡を用いて、有機太陽電池のナノ構造を調べ、それぞれの分子領域内で分子が混合していることを発見しました。この発見により、有機太陽電池のエネルギー変換機構が明らかになり、高効率な有機太陽電池の設計指針が得られると期待されます。
　バルクヘテロジャンクション型有機太陽電池は、エネルギー変換効率が高いという特徴があります。これまで、高分子材料とフラーレンの単一分子ドメインとの間に綺麗な界面があることが、電池としての効率を高める上で重要であると考えられていました。しかし、変換効率を最適化した試料のドメイン構造を、軟X線顕微鏡という新しい手法を使って詳しく調べた結果、それぞれのドメインで分子が混ざっていることが分かりました。つまり、界面はむしろ「汚い」ほうが電池としての性能が優れる、ということが初めて分かり、これまでの常識を覆す結果が得られました。
　本研究成果は、日本応用物理学会が発行する雑誌「Applied Physics Express」のオンライン版に4月16日付けで公開されます。

　本研究成果の一部は、以下の事業・研究領域・研究課題等によって得られました。
①双葉電子記念財団「有機太陽電池の電荷生成効率の決定手法の開発」　守友 浩
②独立行政法人科学技術振興機構(JST)　戦略的創造研究推進事業個人型研究（さきがけ）「太陽光と光電変換機能」研究領域（早瀬修二　研究総括）：「放射光による有機薄膜太陽電池のエネルギー損失解析」　櫻井 岳暁

研究の背景
　有機太陽電池は、従来、有機電子供与体（有機p型半導体）と有機電子受容体（有機n型半導体）を層状に接合した構造（p-nヘテロ接合）が用いられていましたが、近年、これら2つの材料を混合して作製するバルクヘテロジャンクション型のものが開発され、エネルギー変換効率の高さから、次世代太陽電池として期待されています。このタイプの太陽電池が高いエネルギー変換効率を示す理由としては、電子供与体である高分子材料と電子受容体であるフラーレンとのナノドメインが接合することにより、大きな接合面を持つためと考えられていました。しかしながら、実際に各分子領域内の構造を調べた報告例は極めて少なく、特に、熱処理条件を変えてエネルギー変換効率を最適化した混合膜において、接合状態などの詳細は明らかにされていませんでした。
　そこで本研究グループは、高エネルギー加速器研究機構フォトンファクトリーの軟X線顕微鏡という新しい手法を用いて、変換効率を最適化した試料のドメイン構造を調べました。その結果、それぞれのドメインで分子が混ざっていることが明らかとなりました（図1）。つまり、むしろ界面は「汚い」ほうが電池としての性能が優れる、ということが初めて分かりました。
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今後の展開
　本研究により、バルクヘテロジャンクション型有機太陽電池のエネルギー変換効率には、分子混合が重要な役割を担っていることが明らかになりました。さらに、軟X線顕微鏡の偏光依存性を調べることにより、高分子領域とフラーレン分子領域との界面における分子配向が明らかにできると考えられます。研究グループでは、有機太陽電池のエネルギー変換機構を解明し、高効率有機太陽電池の開発に貢献していきます。
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参考
・有機太陽電池の光電変換効率の理論限界をシミュレーション-----産総研、2013/12/20

".....電荷分離に必要な余剰エネルギーが0.4 eVであるとして、理論的に計算された単接合の有機太陽電池の光電変換効率の限界値21 %は、現状の効率である10～12 %より十分高く、今後、材料の選択や改良、構造の最適化によって光電変換効率のさらなる向上が期待できることを示している。今後は理論限界との差の要因を解明し、高効率化のための課題の抽出とその解決へと研究開発を展開していく予定である。....."

・Twilog : @greenpost 有機太陽（有機太陽電池に関する情報）

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